RISC-V상에서의 Fixslicing AES CTR 운용 모드 최적화 구현

Abstract

Fixslicing 기법을 구현된 AES 블록 암호는 기존의 구현 기법인 Bitsliced 기법의 선형 계층에서의 많은 Cycle이 발생하는 문제점을 해결하기 위해 라운드 함수 중 Shiftrows 함수를 생략한 기법이다. Shiftrows 함수를 생략함으로써 Bitsliced 기법 대비 30% 높은 성능을 달성하였다. 본 논문에서 는 Fixslicing 기법과 Counter 운용 모드의 Nonce 값이 고정되는 특성을 활 용하여 32-bit RISC-V 프로세서 상에서의 Fixslicing AES Counter 운용 모 드 최적화 구현을 진행하였다. Nonce 값이 고정됨으로 인해서 AES 블록 암 호의 암호화 과정에서 2 라운드의 Shiftrows 함수까지 연산하였을 때, Count 값에 따른 고정된 값이 나오는 것을 조사를 통해 분석하였다. 이 분석을 활용 하여 최적화 구현을 위해 사전 연산 기법을 적용하였으며, 사전 연산을 통해 2번의 Addroundkey, 2번의 SubBytes, 1번의 Mixcolumns 연산의 생략이 가 능하였다. 코드량이 늘어나는 단점을 보완하기 위해 Shiftrows 함수 연산을 반만 생략하는 Semi-Fixsliced와 완전히 생략한 Fully-Fixsliced 두 구현 모두 에 제안 기법을 적용하여 성능 측정을 진행하였다. 결과적으로 제안하는 사전 연산 기법을 통해 구현하였을 때 하나의 블록을 암호화 하는 비용은 각각 1,345 cpb, 1,283 cpb의 성능을 보여주고 있으며 기존 구현 성능 대비 약 7%, 약 9%의 성능 향상을 확인하였다.|The AES block cipher implemented with the Fixslicing technique is a technique in which the Shiftrows function is omitted from the round function to solve the problem that many cycles occur in the linear layer of the Bitsliced technique, which is an existing implementation technique. Omitting the shiftrows function can bring about 30% higher performance than the Bitsliced method. In this paper, we implemented the Fixslicing AES counter operation mode optimization by utilizing the fixed nonce value of the counter operation mode and the Fixslicing technique in the 32-bit RISC-V processor. Due to the fixed nonce value, it was analyzed through investigation that a fixed value was obtained according to the count value when calculating the second shiftrows function in the encryption process of the AES block cipher. Using this analysis, a pre-calculation technique was applied for optimization implementation, and through pre-calculation, 2 AddroundKey, 2 SubBytes, and 1 Mixcolumns operations could be omitted. To compensate for the shortcomings of code volume increase, performance measurements were performed by applying the proposed technique in the Semi-Fixsliced implementation, which omits only half the Shiftrows function operation, and the Full-Fixsliced implementation, which omits it completely. As a result, when implemented through the proposed precomputation technique, the cost of encrypting one block is 1,345 cpb and 1,283 cpb, respectively, which is about 7% and 9% performance improvement compared to the previous implementation work.